碱激发粉煤灰胶凝材料的研究进展

碱激发粉煤灰胶凝材料的研究进展

以粉煤灰为主要原料，制备碱性激励因子、磷酸凝胶材料，是一种大规模使用粉煤灰的方法。近年来,许多学者对碱激发粉煤灰胶凝材料进行了深入研究,认为它有可能成为一种重要的胶凝材料。本文综述了含粉煤灰60%(质量比)以上的碱激发粉煤灰胶凝材料的研究进展。1粉煤灰碱土金属粉煤灰的化学成分主要是SiO2、Al2O3、CaO和未燃炭。在光学显微镜和电子显微镜下可以看到,粉煤灰是由结晶体、玻璃体及少量未燃炭组成。粉煤灰的活性主要来自低铁玻璃体,其含量高则活性高。成立认为粉煤灰的化学组成中重量比CaO/SiO2小(约为0.1~0.5),玻璃体结构网络中[SiO4]4-聚合度高,形成较连续的三维网络结构,造成了粉煤灰活性低,一般条件下难被碱所激发,但由于Al3+也参加粉煤灰中网络结构的形成,其铝酸盐网络中硅氧链断裂处的硅氧四面体和Al3+代替Si4+形成的铝氧四面体不稳定,粉煤灰与碱金属溶液接触后,高pH的溶液便从表面开始对粉煤灰激发,逐渐破坏硅(铝)网络和玻璃体结构,在粉煤灰表面形成许多硅酸根离子和铝酸根离子,当系统中存在含钙物质时,形成低Ca/Si比率的CSH层、水化铝酸钙或含碱沸石结构物质等反应产物。2材料的性能2.1熟料和石膏配比对养护强度的影响Sunilkumar使用消石灰、粉煤灰和煅烧磷石膏生产实心砖和空心砖,在常温常压养护下28d强度达3~4MPa,但后期强度发展缓慢。李东旭等使用粉煤灰、水泥熟料和石膏按不同配比配料,3d强度达到了4.9~8.3MPa,28d强度达到了23.3~27.2MPa。Kress等使用粉煤灰、水泥和石英砂按不同配比配料,水中养护27d后强度为5MPa左右,然后放入9m深的海里,33个月后强度增加到15~25MPa。吴国强在对粉煤灰加气混凝土的研究中,发现试件在室内潮湿环境中,经过3年其强度并未下降,但在室内干燥和露天条件下,试件的强度均有很大的下降,其下降幅度随龄期的增加而趋于接近,在室内干燥环境中8年,强度可下降40%。2.2混凝土的碳化王培铭等在粉煤灰替代水泥量60%,水灰比为0.37时,碳化条件相对湿度(55±5)%,温度20~25℃,CO2浓度(80±5)%,试块3d碳化深度达7.7mm,28d达15.2mm,而普通混凝土的碳化深度均为0。朱世芳等的研究得出当混凝土中粉煤灰替代量小于50%时,碳化发展缓慢,粉煤灰替代量大于60%时,混凝土的碳化程度明显增大,并认为主要是由于粉煤灰的掺入,降低了混凝土的碱度,造成其吸收CO2的能力下降。吴国强在对加气混凝土的性能研究中,得出在人工碳化条件[相对湿度(55±5)%,温度20~25℃,CO2浓度(80±5)%]下,试块(100mm×100mm×100mm)1d就完全碳化,造成了强度的下降,碳化系数为0.68。室内干燥及露天条件下,试件在120~210d完全碳化,碳化系数为0.85,历经8年的室内干燥试块强度大约降低40%。2.3制品干燥收缩性能吴笑梅等研究表明,粉煤灰加气混凝土在95~100℃蒸养下1d干缩值达38.10mm/m,180~190℃蒸压养护10小时下干缩值达6.54mm/m,制品干燥收缩性能均达不到GB/T11968-1997的技术要求.LianXiangDu用92%低钙粉煤灰、8%水泥混合,常温养护条件下,干燥收缩值达到了0.24%,而普通混凝土的干燥收缩值仅为0.02~0.05%。JC239《粉煤灰砖》(粉煤灰掺量一般在85%以上)标准要求干燥收缩值不大于0.6%,与普通砖相比,蒸压粉煤灰砖的收缩值要大得多,并且粉煤灰砖在使用过程中总的趋势是体积减小发生收缩。2.4试验结果和抗冻性结果吴国强在粉煤灰加气混凝土的研究中,先将试件饱水,-20℃冻7h,接着放入20℃恒温水中7h,共15个循环,然后按抗压强度损失小于20%,质量损失小于5%进行抗冻性判定。30组试样中有5组历经3~8次循环后完全崩溃破坏,10组抗冻性不合格。总体上看在试验条件下抗冻性较差。LianXiangDu用92%粉煤灰和8%水泥混合,7d常温养护混凝土试块经12个循环,质量损失13.7%,28d常温养护混凝土试块经过12个循环质量损失35.1%。2.5实心砖和空心砖的掺量对比SunilKumar采用石灰、石膏和粉煤灰作为激发体系,粉煤灰掺量60%~90%,石灰和煅烧磷石膏掺量相等条件下,生产实心砖和空心砖,在SO42-浓度为10000ppm溶液中浸泡72d,掺量90%的实心砖强度下降了33.3%,掺量60%的实心砖强度下降了9.2%。空心砖在粉煤灰掺量为60%、70%和80%时,强度损失分别为15.9%、23.8%和27.9%。他认为在严酷的硫酸盐环境中,水化产物的粘聚性遭到了破坏,表现为强度下降和质量损失,适当的提高石膏的掺量可增加其抗硫酸盐侵蚀的能力。2.6实际生产试样抗渗系数TarujitS.Butalia采用粉煤灰︰过滤泥︰石灰︰硅灰=66︰34︰5︰5配料,常温常压养护,28d强度为3.95MPa,养护7d抗渗系数3.5×10-6~3.6×10-5,28d抗渗系数1.3×10-7~3.2×10-6,实际生产试样28d抗渗系数为3.6×10-7。LianXiangDu用粉煤灰和水泥作为胶凝体系,当粉煤灰掺量为80%时,抗渗系数在2.89×10-5~2.46×10-4之间。而水泥浆体和混凝土的抗渗系数一般在1×10-12~1×10-10之间。抗渗性能低与材料本身强度低,孔隙率较大有很大关系。3材料的制备工艺3.1粉煤灰细度对试块强度的影响试验王晓钧等认为粉煤灰在机械研磨过程中,可使硅氧四面体的硅氧键产生断裂,有利于聚合态的硅氧体向单个硅氧体分解,使活性反应基团数量增加,并伴随产生裂纹、缺陷、畸变。王智等采用粉煤灰、生石灰(消石灰)和工业芒硝配料,粉煤灰使用原状灰、磨细灰和超细灰,结果表明随着粉煤灰细度的增加,试块28d强度从1.88MPa增加到23.05MPa。钱觉时等使用64%粉煤灰,石灰、矿渣、石膏总共36%和少量的外加剂,0.25水灰比,标准养护条件下28d强度达17.6MPa,粉煤灰和矿渣预先混合粉磨后,28d强度达20.5MPa。3.2预压应力时粉煤灰的强度Freidin等使用粉煤灰和水玻璃配料,常温常压养护,测试试样的28d强度,在水玻璃含量达50%(粉煤灰实际含量大于70%),预压应力4MPa时,强度达10MPa;在水玻璃含量为30%,预压应力10MPa时,强度达16MPa;预压应力20MPa时,强度达20MPa。并指出在大气中养护360d强度还在增加,埋入地下5年的试件强度也继续增加。3.3蒸汽养护和蒸压养护S.Jahaniani等使用粉煤灰与高碱溶液配料,先82℃养护18h,两天强度可达76MPa。吴笑梅等对粉煤灰加气混凝土(水泥18%,中烧石灰12%,粉煤灰65%,石膏5%,水灰比0.5)在95~100℃进行蒸汽养护和185~190℃蒸压养护,28d强度均可达5MPa。王福元等用粉煤灰和石灰制作蒸压粉煤灰砖,20MPa压力成型,蒸压养护(饱和蒸汽压力0.8MPa,蒸汽温度174.5℃以上)6h,出蒸压釜后蒸压粉煤灰砖强度可达20MPa以上,但此后强度提高不大。4养护时的chDellaM.Roy认为水泥主要水化产物为C-S-H凝胶和Ca(OH)2,而粉煤灰胶凝的水化产物是含碱类沸石结构的物质,这种结构的材料可能有更好的耐久性。A.Katz用粉煤灰-水泥-绿坡缕石体系固化高碱废液,在90℃养护时,认为出现了与沸石同样结构的物质。但P.Jason等认为粉煤灰-熟石灰-NaOH激发体系水化生成了CSH凝胶,但比波特兰水泥Ca/Si比率低。阎培渝在对氟石膏粉煤灰胶结材的研究中,认为空气中室温养护试样的主要水化产物是二水石膏和CSH凝胶,60℃养护时的主要产物是CSH凝胶,继续养护,还有部分的钙矾石生成。吴笑梅等在对粉煤灰加气混凝土的研究中,得出蒸压养护时,水化产物主要是大量结晶良好的托勃莫来石,部分凝胶状和结晶程度较弱的CSH(B)及少量水化石榴子石。蒸养条件下的水化产物是凝胶状和结晶程度较弱的CSH(B)、Aft、AFm和少量结晶细小的托勃莫来石。5不同激发剂胶凝材料的力学性能虽然高钙粉煤灰本身具有一定的水硬性,但其中的游离氧化钙、三氧化硫和方镁石含量较高,影响材料的安定性,因此碱激发粉煤灰胶凝材料主要针对中、低钙粉煤灰(CaO<20%)激发的研究。目前主要的碱性激发剂有石灰、石膏、矿渣、煅烧高岭土、水泥、水玻璃溶液、高碱溶液等,它们是单掺或复掺。碱激发胶凝材料的力学性能主要受激发剂种类、粉煤灰本身的物理化学性能、养护方法、成型方法、养护龄期、配合比的影响。由于在不同的研究中粉煤灰本身的性能、配合比、成型方法、养护条件等方面变化,因此不同激发剂的激发效果不易比较。激发体系不同得到的水化产物不同,其形貌也不尽相同。从相关文献中可得出常温常压下碱激发胶凝材料早期强度和28d强度较低,后期强度在潮湿环境或水中是增加的,但增加缓慢,在干燥环境中后期强度逐渐降低。粉煤灰胶凝材料的碳化性能不佳,干燥收缩性能差,而且胶凝材料的抗硫酸盐侵蚀、冻融循环和抗渗性能同水泥相比差距大,但抗渗性,抗硫酸盐侵蚀性能与碱激发胶凝材料的强度有较大的关系,随着强度的提高这些性能都能得到改善。总的来说,碱激发粉煤灰胶凝材料同水泥相比,无论从力学性能还是耐久性能都有较大的差距,远没有发挥它的潜在优越性,因而有必要从以下几个方面做进一步研究。(1)粉煤灰活性的测定尽管粉煤灰活性在水泥使用中有确定的评定方法,但在不同的激发体系下,当粉煤灰作为胶凝材料的主要组成,其活性就不能简单地借用该评定方法。粉煤灰本身的活性受化学成分,物相组成,物理性能等因素影响,这需要一个恰当的方法来评定。再者,目前碱激发粉煤灰胶凝材料使用的标准直接借鉴水泥标准而来,尽管该材料的发展目标之一是和水泥有相同的性能,但现代水泥胶凝材料也并不完美,在某些方面碱激发粉煤灰胶凝材料的性能可能优于水泥材料,因而有必要发展基于该材料特点的标准。(2)氧化钙安定性问题以往的研究主要集中在材料的抗压强度。对材料的耐久性及体积稳定性方面研究较少,例如加入过量石膏及氧化钙安定性问题。一些性能如应力应变性能,流变性能,磨蚀性能,干湿循环等以及各性能之间关系的研究几乎还没涉及。因而有必要在进一步提高胶凝材料力学性能的基础上,开展各种性能及其之间关系的研究,建立碱激发胶凝材料的性能数据库,增加材料性能的可预测性,促进碱激发粉煤灰胶凝材料的应用。(3)影